粗颗粒在泥石流屈服应力中的作用机理研究

The yield stress is an important parameter to describe the characteristics of debris flows. The maximum depositional depth of debris flow is determined by the yield stress and control the formation process of hazards by debris flows. The inadequacies of research on the yield stress of debris flow are: 1. There is little research on the role of shape, particle distribution, and property of material of coarse particle in the yield stress; 2. No large particles are taken into account in the calculating the density (volumetric concentration) of debris flow. The result of the volumetric concentration is underestimate and the yield stress is less. In this program, the maximum volumetric concentration of coarse particle is introduced to represent the shape, particle distribution, and property of material of coarse particle. The mixtures in experiments are consisted by slurry which is mixed by water and kaolin clay, and coarse particles which are material with different shape, particle distribution, and property. The experiments will be conducted to discover the relationship of yield stress and the relatively volumetric concentration. The field investigations will be conducted to find the characteristics of particle distributions of debris flows. The revised formula of the density (volumetric concentration) will be researched for the debris flow with large particles. Finally, with the yield stress formula of relatively volumetric concentration, the calculating method of yield stress of debris flow in the field will be obtained. And the verification of this method by field investigations will be conducted to provide the basis of hazards mitigation of debris flows.

泥石流的屈服应力是泥石流动力学特征中最重要的参数之一。泥石流的屈服应力决定了泥石流的最大淤积厚度，进而很大程度地影响到泥石流的成灾过程。目前对泥石流屈服应力研究的不足之处有：1.粗颗粒形状、粒径分布及材料性质对屈服应力的影响研究很少；2. 泥石流的容重（体积浓度）和屈服应力的计算中没有考虑粗大颗粒的影响，使计算的体积浓度值偏小，屈服应力计算也偏小。本项目从粗颗粒在屈服应力中的作用出发，提出粗颗粒的最大体积浓度代表粗颗粒的形状、粒径分布及材料性质等的作用。以水和高岭土作为细颗粒浆体，不同形状、粒径分布及材料性质的粗颗粒作为粗颗粒实验材料，实验研究屈服应力与相对体积浓度的关系。通过野外调查，分析颗粒分布曲线的特征，研究泥石流中含有粗大颗粒的容重（体积浓度）的修正计算方法。最终结合以相对体积浓度为主的屈服应力公式，获得泥石流的屈服应力计算方法，并通过野外验证该方法的正确性，为防灾减灾提供依据。

泥石流的淤积厚度是泥石流参数中最重要的参数之一，也是泥石流危险性评价和泥石流灾害治理的重要参数之一。目前直接计算泥石流的淤积厚度的模型还不完善，存在许多不确定因素，还需要进一步研究泥石流的淤积规律以及屈服应力。本项目以泥石流体屈服应力的计算模型为研究目的，主要研究工作包括室内实验研究和野外调查研究。室内实验研究围绕粗颗粒在泥石流体屈服应力中的作用，采用分别研究各种粗颗粒特征的方法，包括粗颗粒的材料特性（普通河沙、玻璃、PVC和POM等材料），粗颗粒的级配分布（曲率系数），粗颗粒的粒径与表面积（表面积），粗颗粒的形状（球度）等特征。通过实验研究这些特征参数对泥石流屈服应力的影响，总共进行了300余次成功实验。野外调查了四川省不同地区的泥石流并取泥石流大样28个以及对应的大样旁取小样28个，并进行了颗粒粒径分析。本项目研究得出的主要结论有：1）粗颗粒是泥石流体的重要组成部分，粗颗粒越均匀，屈服应力越大；用曲率系数来表征级配与屈服应力的关系为：当曲率系数越接近于1，级配越差，粗颗粒粒径组成单一，屈服应力越大。2）使用同种材料粗颗粒，在级配（曲率系数Cc）和形状（球度ψ）相同的情况下，粒径越大，屈服应力越小，粗颗粒粒径与屈服应力呈反比例关系。3）由于粗颗粒形状不规则，具有棱角，颗粒之间的镶嵌结合就好，结构性强，因此，不规则的粗颗粒在其它条件相同的情况下具有更大的屈服应力。4）不同的粗颗粒材料有不同的材料特性，这些因素综合导致不同的粗颗粒材料表现出不同的性质，对屈服应力的影响程度也不同。5）加入了粗颗粒特征的修正的泥石流屈服应力计算公式比原有公式更符合实际情况，与野外原型对比吻合度更好。6）泥石流的实际容重受粗大块石影响。有粗大块石的泥石流容重随粗大块石在堆积扇表面的比例增加而增加，最多（几乎全部覆盖）可以增加容重0.05g/cm3。